СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ КАМЕРЫ Российский патент 2023 года по МПК G01N21/27 G01J3/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способам и устройствам для калибровки интегрирующих камер, например, для использования в спектроскопии.

Уровень техники

Многие характеристики образца могут быть измерены в интегрирующей камере, см., например, стандарт CIE 130-1998 «Практические методы измерения коэффициентов отражения и пропускания», который посвящен, например, измерению коэффициента отражения для направленного излучения и излучения, падающего от полусферы, коэффициента диффузного отражения, коэффициента пропускания для направленного излучения и излучения, падающего от полусферы, и коэффициента диффузного пропускания. Интегрирующие камеры могут также быть использованы в аналитике, например, в спектрофотометрах для спектроскопических измерений образцов, см., например, патентный документ WO 2104/080322. Если поток излучения вводят в интегрирующую камеру, например, сферу, через небольшое входное отверстие (окно), то в силу диффузного характера отражения от стенки сферы, распределение оптической энергии внутри камеры быстро, через несколько отражений, станет однородным и изотропным. Когда какая-то доля этой диффузной, т.е. однородной и изотропной оптической энергии покидает камеру через отверстие в стенке, известное как выходное окно, то распределение выходящих оптических лучей по отношению к плоскости окна соответствует ламбертовскому источнику. В сферической камере, заполненной идеальным диффузным излучением, излучение, отраженное от любой точки стенки, будет облучать все остальные точки поверхности одинаковым образом. Поэтому на практике часто предпочитают сферические или почти сферические формы, в силу того что перемешивание тогда происходит за минимальное число отражений.

Когда в интегрирующую камеру помещают поглощающий образец, то плотность энергии диффузного поля внутри камеры уменьшается. Это уменьшение может быть измерено посредством фотоприемника, который может быть помещен внутрь камеры, или, как в большинстве случаев, снаружи камеры так, чтобы он «смотрел» в выходное окно. Спектр поглощения образца может быть измерен таким же способом, как и в случае стандартной пропускающей кюветы, а именно, путем деления интенсивности, измеренной детектором, когда образец находится внутри камеры, H_sample(λ), где λ длина волны света, на интенсивность, измеренную детектором, когда в камере находится объект сравнения, H_ref(λ), роль которого обычно выполняет пустая сфера, т.е. просто находящийся внутри сферы воздух. Например, если использовать десятичные логарифмы, то спектр поглощения может быть выражен, как А(λ)=-lg(H_sample(λ)/H_ref(λ)). Способ измерения образцов внутри интегрирующей камеры особенно полезен для образцов, обладающих низким коэффициентом поглощения, поскольку длина оптического пути поглощения увеличивается благодаря многократному взаимодействию образца с диффузно рассеянным светом внутри камеры, при этом результат измерения фактически не зависит от изменения геометрии образца, рассеяния света внутри образца и отражений на поверхности образца.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением в его первом аспекте, предложен способ осуществления калиброванного измерения образца с использованием интегрирующей камеры, включающий этапы, на которых: получают спектральные данные образца путем использования интегрирующей камеры с помещенным внутрь камеры образцом; получают спектральную информацию, характеризующую камеру, сформированную путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом; и получают результат измерения, исходя из спектральных данных образца путем использования математической обработки, при которой в качестве входной информации используют спектральную информацию, характеризующую камеру.

Различные варианты осуществления изобретения в его первом аспекте могут содержать по меньшей мере один отличительный признак из следующего перечня:

спектральную информацию, характеризующую камеру, получают путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом, помещенным внутрь интегрирующей камеры;

спектральную информацию, характеризующую камеру, получают путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом, заменяющим часть внутренней поверхности интегрирующей камеры;

способ дополнительно включает этап, на котором получают вторую спектральную информацию, характеризующую камеру, и сравнивают ее с указанной спектральной информацией, характеризующей камеру, и, если сравнение показывает, что вторая спектральная информация, характеризующая камеру, отличается от указанной спектральной информации, характеризующей камеру, то при получении результата измерения используют вторую спектральную информацию, характеризующую камеру;

образец представляет собой по меньшей мере одно из следующего: твердый образец, жидкий образец и газообразный образец;

образец представляет собой твердый образец в виде по меньшей мере одного семени растения;

эталонный объект представляет собой объект с нанесенным на него оптически черным слоем;

эталонный объект содержит по меньшей мере одно отверстие, пронизывающее оптически черный слой;

эталонный объект заключают в оболочку из стекла;

стекло представляет собой плавленый кварц или боросиликатное стекло;

для заключения эталонного объекта в оболочку производят сварку стекла;

эталонный объект представляет собой объем поглощающего материала, составляющий объемный поглотитель.

В соответствии с настоящим изобретением в его втором аспекте, предложен эталонный объект, представляющий собой металлический предмет с нанесенным на него оптически черным слоем, и прозрачную оболочку, которая заключает в себе указанный металлический предмет и оптически черный слой.

Различные варианты осуществления изобретения в его втором аспекте могут содержать по меньшей мере один отличительный признак из следующего перечня:

металлический предмет содержит по меньшей мере одно отверстие, пронизывающее оптически черный слой;

металлический предмет содержит множество отверстий, пронизывающих оптически черный слой;

прозрачная оболочка представляет собой плавленый кварц или боросиликатное стекло;

чтобы заключить металлический предмет, прозрачную оболочку подвергают по меньшей мере одной из следующих операций: сварке стекла, спеканию стекла или склеиванию стекла.

В соответствии с настоящим изобретением в его третьем аспекте, предложен эталонный объект, содержащий объем поглощающего материала, составляющий объемный поглотитель, при этом объем поглощающего материала рассчитан так, чтобы получить определенное заданное сечение поглощения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает блок-схему алгоритма осуществления соответствующего изобретению способа для коррекции спектра поглощения.

Фиг. 2 схематически в разрезе изображает систему оптического анализатора с оптической интегрирующей камерой.

Фиг. 3 схематически изображает интегрирующую сферу с эталонным объектом, который приводится в действие автоматически.

Фиг. 4 изображает вариант осуществления эталонного объекта, соответствующий настоящему изобретению.

Фиг. 5 изображает пример компьютерной системы, предназначенной для применения в настоящем изобретении.

Осуществление изобретения

Один недостаток, связанный с использованием интегрирующей камеры с образцом внутри камеры, вытекает из способа выполнения измерения спектра сравнения H_ref(λ). В отличие от случаев, когда образец располагают снаружи интегрирующей камеры, то есть геометрии диффузного отражения или диффузного пропускания, оптические характеристики камеры должны обладать долговременной стабильностью, когда камеру используют с образцом, помещенным внутрь камеры. Причина этого в следующем. Явление дрейфа излучения источника (источников) света, дрейфа чувствительности детектора (детекторов), и коэффициентов пропускания или иных показателей эффективности оптики внутри сферы всегда исключаются из спектроскопического отношения H_sample/H_ref независимо от положения образца. Однако, коэффициент пропускания самой сферы исключается из спектроскопического отношения, только когда образец расположен снаружи сферы.

Настоящее изобретение относится к устройству и способам подавления эффектов дрейфа оптических характеристик интегрирующей камеры в результирующих спектрах поглощения или спектрах подобных спектрам поглощения в случаях, когда образец расположен внутри сферы. Раскрытый в изобретении способ калибровочного измерения улучшает спектроскопическое сравнение с эталоном. Спектроскопическое отношение H_sample/H_ref устраняет дрейфы, возникающие от компонентов, находящихся снаружи сферы, включая долговременный дрейф лампы и детектора. Поэтому, спектр сравнения H_ref(λ) можно повторно измерять довольно часто, в типичном случае, каждые несколько минут, а обычно по меньшей мере раз в день. Раскрытый способ калибровки сферы, с одной стороны, становится необходимым только, когда происходит изменение оптических характеристик сферы, что обычно случается редко. Если сферу используют очень аккуратно, как в лаборатории, то ее характеристики могут не меняться годами. Однако, даже в этом случае желательно, чтобы в лаборатории была, например, вторая сфера, которой можно пользоваться в качестве резервной. Раскрытый в изобретении способ калибровки полезен также и в этой ситуации, поскольку после того как две сферы будут откалиброваны по принадлежащему лаборатории долговременно стабильному эталонному объекту, указанные сферы будут демонстрировать идентичное поведение в отношении измерения спектров поглощения или спектров подобных спектрам поглощения, и поэтому могут быть быстро заменять друг друга, когда необходимо, т.е. без необходимости повторной калибровки. Другими словами, легко получается образцовое средство измерений.

Множество задач применения сферы основаны на прецизионных спектроскопических измерениях, например, когда необходимо проводить измерения слабых полос поглощения, которые перекрываются более интенсивными меняющимися величинами поглощения от других компонентов образца. Эта ситуация известна, как матричный эффект. В указанной и других задачах прецизионного измерения, а особенно, когда для количественного анализа требуются хемометрические модели, раскрываемый в изобретении способ может быть успешно использован для поддержания аналитической точности системы измерения с интегрирующей камерой. Хемометрические модели могут быть разработаны с использованием спектров «новой» камеры. Последующий дрейф оптической характеристики может давать ошибку и ухудшать исходную точность работы сферы со временем. Ряд физических эффектов вносят вклад в старение сферы и ее поведение, включая температурную чувствительность, чувствительность в УФ области, чувствительность к плесени, чувствительность к влажности, скоплению грязи, старению красок, механическим повреждениям в углах и на кромках, царапинам на поверхностях и окнах и/или любым другим долговременные химическим или физическим изменениям качества белого материала, обеспечивающего диффузное отражение.

Таким образом, есть потребность в простом и точном способе калибровки оптической характеристики интегрирующей камеры.

Настоящее изобретение обеспечивает улучшение качества спектральной информации, получаемой от образцов, находящихся внутри интегрирующей камеры, такой как интегрирующая сфера. Предлагается простой и точный способ калибровки оптической характеристики интегрирующей камеры. Спектральная информация, например, такая как спектры поглощения, может быть воспроизведена абсолютно в масштабе, и обеспечена возможность получения фактически идентичных спектров поглощения от любого образца при помощи различных интегрирующих камер.

Преимущество изобретения заключается в использовании не исходных измеренных спектров, а нормированных спектров. Хемометрическая модель может быть разработана на основе нормированных спектров, за счет чего будет дольше сохраняться ее аналитическая точность, теоретически неограниченное время, поскольку может быть ослаблен или даже исключен «эффект старения сферы». Другое важное преимущество заключается в возможности разработки хемометрической модели на одной сфере, а затем переноса ее на другие сферы, поскольку при нормированных спектрах различия между индивидуальными сферами могут быть исключены, поскольку нормированные спектры, так сказать, привязаны к эталонному объекту, а не к пустой сфере, как исходные спектры. Аналогичное преимущество применимо и к случаям, когда в сферу вносятся намеренные изменения.

Интегрирующая камера, которая может быть использована для измерения оптических характеристик образцов, помещенных внутрь камеры, может иметь любую форму, по меньшей мере в общем. Однако, выгодными формами является сфера или форма близкая к сферической, поскольку у таких форм эффект диффузного рассеяния самый сильный, т.е. внутри камеры требуется меньше отражений, чтобы равномерно распределить входящие лучи по поверхности, чем у других форм. В описываемых ниже вариантах осуществления изобретения интегрирующие камеры являются сферическими, но изобретение не ограничивается ни какой конкретной формой камеры.

Когда образец помещен внутрь камеры, у которой имеется окно для входа света и выходное окно, результаты измерения зависят от оптических характеристик камеры. Когда на внутреннюю поверхность камеры нанесено диффузно отражающее белое покрытие, камера становится так называемой интегрирующей камерой. Диффузно отражающее белое покрытие приблизительно соответствует так называемому рефлектору Ламберта, что означает, что световые лучи, падающие на внутреннюю поверхность, отражаются диффузно, и после нескольких отражений теряют информацию, касающуюся исходного их направления при падении. После одного или нескольких таких диффузных отражений световые лучи распределяются равномерно по всей поверхности. Таким образом, исходное направление света «забывается» за счет диффузного отражения внутри интегрирующей камеры.

Из спектральной информации образца, измеренного внутри интегрирующей сферы, может быть определен, например, химический состав образца. Спектральная информация может содержать, например, спектр поглощения или значения поглощения на выбранных длинах волн.

Чаще всего в данной области техники анализируемые образцы помещают снаружи интегрирующей сферы, например, так, чтобы закрыть отверстие, выполненное в стенке сферы. Однако к преимуществам размещения образца внутри интегрирующей камеры относятся:

усиление сигнала поглощения за счет коэффициента умножения сферы;

фактическое устранение ошибок установки образца;

простота загрузки образцов; также зерненых и жидких образцов;

высокий уровень энергетической освещенности детектора;

небольшой динамический диапазон для фотоприемника и электроники; и

случай получения от образца линейной характеристики и надежной характеристики поглощения.

Поверхности современных сфер покрыты материалами или выполнены из материалов с очень высоким коэффициентом диффузного отражения, обычно ρ>0,95. Современные материалы также являются спектрально неселективными (слабо зависят от длины волны), нефлуоресцирующими и отличающимися долговременной стабильностью. Но все же, особенно при суровых условиях эксплуатации с течением длительного времени могут происходить изменения оптических характеристик сферы. Большинство сфер, которые используются на практике, имеют диаметры в диапазоне от 50 мм до 1 м. Отверстия для источников света и детекторов называют окнами, при этом суммарная площадь всех окон обычно составляет мнее 5% площади поверхности сферы.

При использовании интегрирующей сферы с образцом, расположенным снаружи сферы, то есть при измерении характеристик диффузного отражения или диффузного пропускания, эффекты старения сферы исключаются из спектроскопического сравнительного отношения, когда получаются результаты измерения. Другими словами, тот факт, что оптические и спектральные характеристики сферы изменяются во времени, не является проблемой, когда образец находится снаружи сферы.

Исключения эффектов старения сферы не происходит, когда анализируемый образец находится внутри сферы. Спектроскопическое сравнительное измерение, когда образец заменяют воздухом, т.е. образец изымают из сферы, не работает так же, как в случае, когда анализируемый образец при измерении находился наружи сферы. Например, когда производится измерение спектра поглощения A=-lg(H_sample/H_ref), дрейф оптических характеристик сферы не компенсируется, поскольку изменение оптических характеристик сферы приводит к эффектам, которые математически, грубо говоря, аналогичны изменению длины оптического пути в случае традиционной спектроскопии с кюветой для измерения пропускания.

Поскольку эффекты старения не компенсируются, их подавление становится важной задачей при использовании интегрирующих сфер в режиме, при котором анализируемый образец находится внутри сферы. Фраза «находится внутри сферы» или в более общем смысле внутри интегрирующей камеры, подразумевает, что образец полностью находится в камере. Как вариант, образец можно считать находящимся внутри камеры в том смысле, что более половины объема образца находится внутри камеры. Хотя старение краски, скопление пыли и другие эффекты могут быть выражены слабо, определенные измерения, чтобы быть успешными, требуют стабильности во времени порядка 0,01%. Например, к этой категории относятся некоторые аналитические измерения в ближней ИК области спектра, при которых небольшие пики анализируемого вещества нужно вычитать из интенсивного меняющегося фона. Срок службы интегрирующей сферы может составлять несколько лет, что, в свою очередь означает, что изменения достаточно большие, чтобы существенно влиять на точность измерений, вероятно будут происходить в течение срока службы сферы.

Согласно изобретению, эталонный объект или эталон с хорошей долговременной стабильностью своих оптических характеристик может быть использован как для обнаружения, так и для коррекции изменений характеристик интегрирующей сферы.

Эталон, обладающий стабильным сечением поглощения, к примеру, подготавливают и измеряют в сфере во время сборки сферы, чтобы получить спектральные данные, характеризующие камеру, которые описывают сферу во время ее сборки. Спектральные данные, характеризующие камеру, могут быть использованы при измерении образцов с использованием сферы, чтобы привести спектральные данные, полученные от образцов, к эталонному объекту, а не к пустой сфере. Поскольку эталонный объект является стабильным, в отличие от пустой сферы, то тем самым стабильным является и измерение образцов, а эффекты старения сферы могут быть существенно ослаблены.

С течением времени при помощи той же самой сферы может быть выполнено новое измерение того же эталона или другого, но номинально идентичного, эталона, чтобы получить новые спектральные данные, характеризующие камеру. Если новые спектральные данные, характеризующие камеру, отличаются от прежних данных, то эти новые данные могут быть использованы в дальнейшем при измерении образцов, поскольку новые спектральные данные точнее отражают состояние сферы. В данном случае новые спектральные данные, характеризующие камеру, могут тогда быть использованы для приведения спектральных данных, полученных от образцов, к эталонному объекту, а изменения сферы, связанные с ее старением, могут быть исключены, или по меньшей мере значительно ослаблены, что позволяет увеличить точность измерений.

Например, при работе со спектрами поглощения, -lg(H_sample/H_ref), способ нормирования может быть выполнен следующим образом. Во-первых, измеряют и сохраняют в памяти спектр поглощения эталонного объекта A_std(λ)=-lg(H_std(λ)/H_ref;_std(λ)). Затем можно начать повторяющиеся измерения спектров поглощения одного или более образцов A(λ)=-lg(H_sample(λ)/H_ref(λ)). В общем, эталонные спектры образцов H_ref(λ) могут в принципе быть идентичными эталонному спектру H_ref,std(λ), который был использован для расчета спектра поглощения эталона, но скорее всего будут измерены новые или свежие эталонные спектры. В-третьих, осуществляют деление спектра поглощения образца A(λ) на спектр поглощения эталонного объекта A_std(λ), чтобы получить нормированный спектр поглощения образца A_n(λ)=A(λ)/A_std(λ). Как и в случае других спектральных отношений, например H_sample(λ)/H_ref(λ), знак деления в уравнении эквивалентен символу «./» в программе MATLAB от Mathworks, т.е. деление выполняется точка за точкой отдельно на каждой длине волны. В случае спектроскопических измерений переменные могут быть измерены в нескольких полосах длин волн, и, следовательно, сохранены в памяти в виде векторных, а не скалярных величин. Выполнение количественного анализа нормированных спектров A_n(λ) приведет к более высокой надежности и долговременной стабильности результатов анализа, поскольку дрейф оптических характеристик сферы может быть парирован простым измерением свежего спектра поглощения эталона, сохранением его в памяти и использованием для нормирования спектров образцов. Это значительно проще, чем существующая практика перекалибровки всей системы. Единственное требование заключается в том, чтобы оптические характеристики самого эталонного объекта были долговременно стабильными.

Данная процедура работает не только со спектрами поглощения A(λ)=-lg(H_sample(λ)/H_ref(λ)), но и с другими спектрами, которые аналогичны спектрам поглощения, и основаны на отношении H_sample/H_ref. Чтобы сократить запись, «λ» в уравнениях можно опустить. Операция деления на спектр эталона аналогичный спектру поглощения способствует восстановлению аналитической стабильности.

Для обычного спектра поглощения -lg(…), где используется десятичный логарифм, а численный результат выдается в виде так называемых единиц оптической плотности, AU (от англ. absorbance units), коррекция работает исключительно хорошо для малых величин поглощения, а именно до приблизительно 0,3 AU, и также неплохо для более высоких значений поглощения.

С другой стороны, может использоваться натуральный логарифм, А_е=-ln(H_sample/H_ref); в этом случае применимы вышеприведенные рассуждения, за исключением того, что диапазон величин, в котором работает коррекция достигает приблизительно 0,7, т.е. 0,3*2,303.

Приближение первого порядка поглощения А_е посредством ряда Тейлора выглядит следующим образом A₁=((H_ref/H_sample)-1). Как оказалось, способ коррекции работает исключительно хорошо со спектрами А₁(λ). Другими словами, процедура нормирования А₁(λ)/A_1,STd(λ) исправляет дрейф сферы исключительно хорошо в широком динамическом диапазоне А₁.

Все формулы, подобные формулам поглощения, работают хорошо в определенном диапазоне. На практике таким образом можно найти формулу, которая будет хороша как для количественного анализа, т.е. поведения образца согласно закону Ламберта-Бэра, так и для коррекции сферы.

Следует отметить, что описанный выше эффект коррекции возникает не за счет «двойного отношения», поскольку не производится непосредственного деления друг на друга двух участвующих спектральных отношений H_sample(t)/H_Ref(t) и H_Std(t₁)/H_Ref(t₁), где t - время. Эффект коррекции также не возникает за счет простого исправления длины оптического пути. Если бы это было так, то коррекция работала бы лучше всего с обычным спектром поглощения А=-lg (…), но это не так, поскольку коррекция работает лучше всего со спектром A₁=((H_ref/H_sample)-1). Скорее эффект стабилизации, обеспечиваемый за счет деления спектра поглощения образца или спектра подобного спектру поглощения образца на аналогичный или даже отличающийся спектр подобный спектру поглощения долговременно стабильного эталона, является благоприятным результатом хитрых физических явлений поведения интегрирующих сфер, когда их используют с образцом, помещенным внутрь сферы.

Эталонный объект может представлять собой, например, полоску из металла или пластика, на которой или в которой находится оптически черный слой. Фраза «оптически черный» здесь подразумевает, что данный слой поглощает фактически весь падающий свет. Оптически черный слой может быть, например, неорганическим. Примером материала для оптически черного слоя является так называемый «черный никель» который представляет собой коммерчески доступное покрытие для металлов. В силу химического процесса нанесения покрытия его слой растет равномерно на кромках и внутренних углах заготовки. Для изготовления оптически черных слоев может быть использовано множество других материалов, включая различные краски и способы обработки поверхности. Обзоры данной темы можно найти, например, в следующих двух работах: (a) Stephen М. Pompea and Robert P. Breault CHARACTERIZATION AND USE OF BLACK SURFACES FOR OPTICAL SYSTEMS (ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРИМЕНЕНИЕ ЧЕРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ), Chapter 6 in Handbook of Optics, Third Edition Volume IV: Optical Properties of Materials, Nonlinear Optics, Quantum Optics. M. Bass (ed.), McGraw-Hill, 2010; и (b) Jennifer L. Marshall, Patrick Williams, Jean-Philippe Rheault, Travis Prochaska, Richard D. Allen, D.L. DePoy, CHARACTERIZATION OF THE REFLECTIVITY OF VARIOUS BLACK MATERIALS (ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОТРАЖАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ЧЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ), Jul 30, 2014 (8рр) Published in Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 9147 (2014)91474F.

В качестве альтернативы черному слою, который также именуют поверхностным поглотителем, эталонный объект может содержать объем поглощающего материала, который фактически эквивалентен так называемому объемному поглотителю. Нет четкого различия между поверхностными поглотителями и объемными поглотителями, однако материалы, используемые в так называемых объемных поглотителях, обычно обладают более низкими коэффициентами поглощения, чем материалы, используемые в поверхностных поглотителях. К примерам материалов, которые хорошо подходят для изготовления эталонного объекта в форме объемного поглотителя, относятся светопоглощающие пластмассы, особенно пластмассы серой окраски, у которых вся масса может быть использована для определения результирующего сечения поглощения, а форма может быть оптимизирована, поскольку в качестве процесса изготовления в распоряжении есть литьевое прессование. Другим примером подходящего объемного поглощающего материала является графитосодержащая порошковая смесь, особенно смесь с непоглощающими порошками типа частиц стекла или тефлона, так что графит является единственным поглотителем, а пропорция смеси может быть использована для регулирования требуемой степени поглощения. Порошковая смесь может быть заключена в оболочку, например, из стекла, как будет описано ниже. Объемный поглотитель может быть выполнен с определенным, заранее заданным сечением поглощения.

Эталонный объект может быть заключен в стекло, чтобы повысить его стабильность, и дать возможность легко очищать от отпечатков пальцев и другой грязи, которая может накапливаться на эталоне. Материал стекла может содержать плавленый кварц, поскольку плавленый кварц пропускает ультрафиолет и более длинноволновые лучи ближней ИК области спектра, которые могут поглощаться стеклами другого типа. Как вариант, может быть использовано боросиликатное стекло, в зависимости от задачи применения. Для заключения эталона в стекло может быть использована сварка стекла, которая в последнее время стала доступной. Вместо сварки стекла для заключения эталона в стекло может также быть использовано спекание стекла. В случае эталона, основанного на поверхностном поглощении, по меньшей мере область черного слоя, которая подвергается действию света, должна быть защищена стеклом, в то время как остальные части корпуса эталона менее критичны в отношении защиты.

Эталон может содержать одно или более отверстий. Отверстия могут быть выполнены в металлическом или пластмассовом объекте. Отверстие или отверстия могут пронизывать оптически черный слой. Проникновение сквозь оптически черный слой может также подразумевать, что оптически черный слой прокрывает изнутри края отверстия или отверстий, так что отверстие или отверстия пронизывают металлический или пластмассовый объект, прежде чем будет нанесен оптически черный слой.

Польза отверстия или отверстий заключается в том, что, когда эталон помещают внутрь сферы, минимизируется риск влияния эталона на характеристику рассеяния оптического поля внутри сферы. Другими словами, минимизируются потенциальные эффекты затенения. Это полезно, поскольку эффект поглощения, создаваемый эталонным объектом, в идеальном случае должен быть совершенно независимым от положения объекта в сфере, что достигается, когда отсутствуют эффекты затенения. Согласно некоторым вариантам осуществления, имеются по меньшей мере два отверстия. В иных вариантах отверстия покрывают более 50% поверхности эталонного объекта.

Исходя из практического опыта, и принимая во внимание общую результирующую погрешность измерения, а также эффективность использования времени измерения, полезно, если сечение поглощения эталонного объекта выбирать так, чтобы плотность фотонов рассеяния, создаваемая внутри сферы, снижалась приблизительно наполовину, когда эталон помещают в сферу. Другими словами, и точнее, величины отношения H_std(λ)/H_ref,_std(λ) могут предпочтительно находиться в интервале 0,4-0,7 во всем диапазоне длин волн измерения.

На фиг. 1 изображена блок-схема алгоритма по меньшей мере некоторых вариантов осуществления соответствующего изобретению способа измерения для коррекции спектра поглощения, измеряемого от образца. Интегрирующая камера, подобная изображенной на фиг. 2, содержит внутреннюю поверхность, обладающую фактически диффузным отражением, источник света для ввода потока излучения в камеру, и детектор, обладающий чувствительностью к потоку излучения.

Этап 110 включает получение спектральной информации образца с использованием интегрирующей камеры, внутрь которой помещен образец. Спектральная информация образца может содержать спектральные данные образца. Этап 120 включает получение спектральной информации, характеризующей камеру, путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом. При формировании спектральной информации, характеризующей камеру, эталонный объект может находиться внутри камеры, или он может быть расположен так, чтобы частично заменять стенку камеры, не находясь при этом внутри камеры. Получение спектральной информации, характеризующей камеру, может, к примеру, включать извлечение спектральных данных, характеризующих камеру, из памяти. Этап 130 включает получение результата измерения на основе спектральных данных образца путем применения математической обработки, для которой в качестве входной информации берется спектральная информация, характеризующая камеру. Этап 140 (необязательный) включает сравнение второй спектральной информации, характеризующей камеру с вышеуказанной спектральной информацией, характеризующей камеру, и, если сравнение показывает, что вторая спектральная информация, характеризующая камеру, отличается от вышеуказанной спектральной информации, характеризующей камеру, то при получении результата измерения этап 140 включает использование второй спектральной информации, характеризующей камеру. Вторая спектральная информация, характеризующая камеру, может быть сформирована подобно вышеуказанной спектральной информации, характеризующей камеру, с эталонным объектом в камере. Вторая спектральная информация, характеризующая камеру, может быть более свежей, чем вышеуказанная спектральная информация, характеризующая камеру.

Фиг. 2 изображает пример оптического анализатора с интегрирующей сферой. Образец удерживается на месте посредством держателя образца. В случае семян зерна или другого содержащего частицы материала держатель образца может состоять из стекла 27. На стекле 27 зерна или, к примеру, частицы иного сельскохозяйственного продукта, распределены по поверхности, чтобы образовался оптически тонкий слой. Фраза «оптически тонкий» подразумевает, что образец в основном прозрачен для рассеянного света внутри интегрирующей камеры. Также между стеклянных пластин 29а, 29b может быть помещен эталонный объект подобный объекту фиг. 4.

Эталонные объекты для сфер можно использовать внутри переносных или стационарных оптических on-line приборов. В случае переносных приборов эталонные объекты можно вставлять и вынимать вручную. В случае стационарных приборов эталонный объект может приводиться в действие автоматически, и может быть постоянно расположен на приборе или внутри прибора.

Фиг. 2 схематически в разрезе изображает систему оптического анализатора с оптической интегрирующей камерой 20, которая образована двумя полусферами 21, 24, которые могут быть соединены друг с другом, например, посредством байонета. Держатель 27 образца может быть прикреплен к корпусу устройства (не показан) или к нижней полусфере 24. Оптическую интегрирующую камеру можно открывать и закрывать, используя рамку 22, которая по форме соответствует по меньшей мере одной из полусфер 21, 24. Рамка 22 может быть выполнена из пластмассы или металлического материала при условии, что диффузное отражение указанных материалов достаточно высокое, чтобы не нарушать интегрирующую способность оптической интегрирующей камеры 20. Дополнительное защитное стекло 29а используется для защиты внутренней части верхней полусферы 21, включая фронтальную часть источника 23 света, который выступает из полусферы для облегчения замены, поскольку защитное стекло 29а может быть несъемным. Аналогично, дополнительное второе защитное стекло 29b защищает белую рассеивающую стенку 24а нижней полусферы 24 для оптимального выравнивания света.

Свет, поступающий от источника 23 света, отражается дефлектором 28, чтобы падать на диффузно отражающую внутреннюю стенку 21а верхней полусферы 21 и рассеиваться в интегрирующую сферу. Держатель 27 образцов может быть съемным со сферы 20, при этом держатель можно заполнять образцами, когда он установлен на свое место или, когда вынут для заполнения. На держателе 27 образцов может быть также размещен эталонный объект (см. фиг. 4), который, к примеру, можно вдвигать в держатель. Рамка 22 может быть рассчитана так, чтобы удерживать плотно вместе держатель 27 образцов и обе полусферы 21, 24, при этом рамка может быть неразъемным образом соединена с держателем 27 образцов.

Через окно 25 в нижней полусфере 24 свет может выходить из камеры, и может быть направлен на спектральный датчик 26. Датчик может содержать несколько элементов, которые направляют световые лучи; например, линзы 26a26b направляют свет на линейный перестраиваемый полосовой фильтр 26 с, и наконец на матрицу 26d детектора. Каждый пиксель матрицы детектора, например, линейки из 256 пикселей, соответствует определенной интересующей длине волны, в то время как фильтр 26 с обеспечивает передачу света правильной длины волны на соответствующий пиксель. Линейный перестраиваемый оптический фильтр 26 с может быть заменен дифракционной решеткой или призмой, а спектральный датчик 26 может быть заменен другими спектрографическими сенсорами.

Фиг. 3 схематически изображает интегрирующую сферу 31 с эталонным объектом 34, который приводится в действие автоматически. Согласно некоторым вариантам осуществления, используется эталон 43, который содержит область диффузно отражающего белого покрытия, и область оптически черного покрытия. Область черного покрытия образует эталонный объект. В случае интенсивного черного покрытия с коэффициентом диффузного отражения <5%, сечение поглощения эталона почти идентично геометрической площади черного покрытия. Интегрирующая сфера 31 содержит лампу 33 и детектор 35 спектрографа, причем и лампа 33 и детектор 35 оснащены дефлекторами 38, и используются для анализа образца в потоке, например, в потоке зерен, которые проваливаются через держатель образцов, т.е стеклянную трубку 39 через сферу 31.

Транспортирующий шнек 36, приводимый в движение электрическим мотором 37, обеспечивает непрерывный поток образцов в сферу. Автоматический эталон 34 расположен позади окна в стенке сферы. Окно либо закрывается белой поверхностью, которая эффективно «заполняет окно», или закрывается черной поверхностью, образующей эталон. Механически имеется только одна подвижная часть, диск или пластина, содержащая по меньшей мере одно белое и одно черное поле. часть времени окно закрыто белой поверхностью. Лишь в короткие периоды времени, когда производится измерение с новым эталоном H_std(λ), механический привод (не показан) перемещает темную поверхность по окну, т.е. производится экспозиция эталонного объекта.

Спектроскопические сравнительные измерения пустой сферы могут выполняться путем остановки транспортирующего шнека 36, так чтобы поток продукта прекращался. Как только поток останавливается, и сфера становится пустой, могут быть выполнены два измерения: одно измерение пустой сферы для спектроскопического сравнения H_Ref(λ), и другое - эталонное измерение с экспозицией черного эталона H_std(λ). Близость по времени между этими двумя измерениями обеспечивает обнаружение малого дрейфа характеристик сферы.

Автоматический ввод в действие эталонного объекта может быть реализован другими механическими способами по сравнению с теми, которые были описаны выше, например: во-первых, черный эталон можно вдвигать в сферу и выдвигать из сферы через узкую щель в стенке сферы. Во-вторых, черная область может постоянно располагаться на стенке сферы. Подвижный, белый диффузно отражающий материал может закрывать черную область, так что она оказывается белой, и может отводиться в сторону, чтобы открывать черную область. Подвижный, белый отражающий материал, когда он отведен в сторону, может «парковаться» в соседней белой области, так чтобы сфера не замечала изменений в суммарной величине белой области.

На фиг. 4 изображен вариант осуществления эталонного объекта, предназначенного для использования в системах, работающих в соответствии с принципами настоящего изобретения. Эталонный объект по фиг. 4 содержит прозрачное покровное стекло 41, прозрачное нижнее стекло 42 и прозрачную стеклянную рамку 43 между покровным и нижним стеклами, а также оптически черный металлический лист 44 с отверстиями, который предназначен для размещения в пространстве, образованном указанной рамкой, а также покровным и нижним стеклами. Для резки металлического листа 44 и получения нужной его формы может быть применена, например, лазерная резка. Стеклянные детали могут быть соединены по меньшей мере одним из следующих методов: сварки стекла, сплавления стекла и путем использования небольшого воспроизводимого количества клея. Требования к эталонному объекту включают долговременную стабильность его оптических характеристик. На практике это означает, что эталонный объект должен быть механически и химически стабильным, а также стабильным в отношении температуры и УФ излучения. Он должен быть устойчивым в отношении плесени и влажности. Чистка, осмотр и воспроизведение эталона должны быть простыми. Все эти требования выполняются для эталонного объекта с конструкцией, показанной на фиг. 4.

На фиг. 5 изображен пример компьютерной системы 50, способной поддержать по меньшей мере некоторые варианты осуществления настоящего изобретения. Компьютерная система 50 содержит процессорное устройство 51, которое может содержать, например, одноядерный или многоядерный процессор, причем одноядерный процессор содержит на одном кристалле одно процессорное ядро, а многоядерный процессор содержит более одного процессорного ядра. Процессорное устройство 51 может содержать более одного процессора. Процессорное ядро может представлять собой ядро Cortex-A8, выпускаемое компанией ARM Holdings, или ядро Steamroller, выпускаемое компанией Advanced Micro Devices Corporation. Процессорное устройство 51 может иметь в своем составе по меньшей мере один процессор Qualcomm Snapdragon и/или Intel Atom.

Процессорное устройство 51 может содержать по меньшей мере одну специализированную ИС, ASIC (англ. Application Specific Integrated Circuit). Процессорное устройство 51 может содержать по меньшей мере одну программируемую пользователем вентильную матрицу, FPGA (англ. Field Programmable Gate Array). Процессорное устройство 51 может представлять собой средство выполнения этапов способа в компьютерной системе 50. Процессорное устройство 51 может получать конфигурацию по меньшей мере частично посредством инструкций компьютера, чтобы выполнять действия.

Компьютерная система также содержит память 52. Память 52 может включать в себя оперативное запоминающее устройство (RAM, англ. Random Access Memory) и/или постоянное запоминающее устройство. Память 52 может содержать по меньшей мере один чип RAM. Память 52 может представлять собой, к примеру, полупроводниковое, магнитное, оптическое и/или голографическое запоминающее устройство. Память 52 может быть по меньшей мере частично доступна для процессорного устройства 51. Память 52 может по меньшей мере частично содержаться в процессорном устройстве 51. Память 52 содержит компьютерные инструкции, которые предназначены для исполнения процессорным устройством 51. Когда компьютерные инструкции, предназначенные для того, чтобы процессорное устройство 51 выполняло определенные действия, сохранены в памяти 52, компьютерная система 50 в целом становится настроенной для работы под руководством процессорного устройства 51 с использованием компьютерных инструкций из памяти 52, при этом самое процессорное устройства 51 и/или по меньшей мере одно его процессорное ядро можно считать настроенными для выполнения определенных действий.

Компьютерная система 50 может содержать порт вывода данных или передатчик 53, и также может содержать порт ввода данных или приемник 54. Порты 53 и 54 могут быть настроены соответственно на передачу и прием информации согласно по меньшей мере одному протоколу обмена данными между компонентами устройства, соответствующего настоящему изобретению, т.е. источником света, сферой, фотоприемником и спектроскопическим устройством. Также может быть обеспечен доступ к другим внешним ресурсам, таким как базы данных, интернет и т.п. Указанные порты могут быть проводными или беспроводными.

Компьютерная система 50 может содержать средства ближней бесконтактной связи NFC (англ. Near Field Communication) приемопередатчик 55, как альтернативу или дополнение к средствам обмена данными между компонентами устройства, соответствующего настоящему изобретению. Приемопередатчик 55 может поддерживать по меньшей мере одну технологию ближней связи, например, NFC, Bluetooth, Wibree или подобные технологии.

Дополнительно может использоваться интерфейс 56 пользователя. Интерфейс 56 пользователя может содержать по меньшей мере одно из следующих устройств: дисплей, клавиатуру и сенсорный экран. Пользователь может управлять компьютерной системой 50 через интерфейс 56, к примеру, для выполнения измерений.

Компьютерная система 50 может быть выполнена с возможностью приема по меньшей мере одного внешнего носителя данных - модуля 57. Таким модулем могут быть внешние карты памяти, которые, к примеру, содержат информацию по настройке или калибровке.

Процессорное устройство 51 может быть оснащено передатчиком, выполненным с возможностью передачи на выход информации из процессорного устройства 51 через внутренние электрические провода компьютерной системы 50 к другим устройствам, которые входят в состав компьютерной системы 50. Такой передатчик может представлять собой передатчик последовательной шины, рассчитанный на передачу информации по меньшей мере по одному проводу на выход в память 52 для сохранения. В качестве альтернативы последовательной шине передатчик может представлять собой передатчик параллельной шины обмена данными. Аналогично, процессорное устройство 51 может содержать приемник, рассчитанный на прием информации в процессорное устройство 51 через внутренние электрические провода компьютерной системы 50 от других устройств, которые входят в состав компьютерной системы 50. Такой приемник может представлять собой приемник последовательной шины, рассчитанный на прием информации по меньшей мере по одному проводу от приемника 54 для обработки в процессорном устройстве 51. В качестве альтернативы последовательной шине приемник может представлять собой приемник параллельной шины обмена данными.

Компьютерная система 50 может содержать другие устройства, не изображенные на фиг. 5. К примеру, компьютерная система 50 может содержать по меньшей мере одну цифровую камеру.

Процессорное устройство 51, память 52, передатчик 53, приемник 54, приемопередатчик NFC 55, интерфейс 56 пользователя и/или внешний модуль 57 могут быть соединены между собой электрическими проводниками внутри компьютерной системы 50 множеством различных способов. Например, каждое из вышеупомянутых устройств может быть по-отдельности присоединено к внутренней главной шине компьютерной системы 50, чтобы дать возможность устройствам обмениваться информацией. Однако, специалистам в данной области должно быть понятно, что это лишь один пример, и что в зависимости от конструкции, не выходя за рамки объема настоящего изобретения, могут быть выбраны различные способы взаимного соединения по меньшей мере двух из упомянутых выше устройств.

Следует понимать, что раскрытые варианты осуществления изобретения не ограничиваются определенными структурами, этапами осуществления процесса или материалами, но распространяются на эквиваленты, что должно быть понятно рядовым специалистам в данной области. Следует понимать, что терминология, примененная в настоящем описании, использована в целях описания конкретных вариантов осуществления и не имеет целью установление каких-либо ограничений.

Ссылки, которые делаются в данном описании на «один вариант осуществления» или «некоторый вариант осуществления» означает, что частный отличительный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с определенным вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления настоящего изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте осуществления» или «в некотором варианте осуществления», появляющиеся в различных местах описания, необязательно все относятся к одному варианту осуществления. Когда ссылка сделана на численное значение с использованием таких терминов как, например, «приблизительно» или «по существу», то этим также раскрывается и точное численное значение.

Множество предметов, элементов конструкции, составных элементов и/или материалов, когда они используются в данном описании, для удобства могут быть представлены в виде общего перечня. Однако, такие перечни следует толковать, как если бы каждый элемент перечня был индивидуально определен, как отдельный и единственный элемент. Таким образом, ни один индивидуальный элемент такого перечня не следует толковать, как фактически эквивалент любого другого элемента того же самого перечня исключительно на основании того, что они представлены в общей группе без утверждения об обратном. Кроме того, на различные варианты осуществления и пример настоящего изобретения может быть дана ссылка наряду с иными вариантами различных входящих компонентов. Следует понимать, что такие варианты осуществления, примеры и иные варианты не должны быть истолкованы, как фактически эквиваленты друг друга, но их следует рассматривать, как отдельные и автономные представления настоящего изобретения.

Более того, описанные отличительные признаки, конструкции или характеристики могут комбинироваться любым подходящим образом в одном или более вариантах осуществления изобретения. В вышеприведенном описании приведены многочисленные конкретные детали, такие как примеры величин длины, ширины, форм и т.п., чтобы обеспечить полное понимание вариантов осуществления изобретения. Специалисту в данной области должно быть понятно, что изобретение может быть реализовано на практике и без одной или более указанных конкретных деталей, или же посредством других способов, компонентов, материалов и т.п. В других случаях хорошо известные конструкции, материалы или операции не показаны или подробно не описаны, чтобы не делать изобретение труднопонимаемым.

Хотя вышеприведенные примеры иллюстрируют принципы настоящего изобретения в одном или более частных случаях применения, специалистам в данной области должно быть понятно, что в форму, применение и детали реализации изобретения можно вносить многочисленные изменения, не беспокоясь о патентоспособности, и не выходя за -границы принципов и идей изобретения. Соответственно, не предполагается, что изобретение ограничено чем-то кроме положений формулы изобретения, которая будут приведена ниже.

Глаголы «содержать» и «включать в себя» используются в данном документе как открытая ограничительная фраза, которая не исключает и не требует существования неперечисленных признаков. Признаки, перечисленные в зависимых пунктах формулы изобретения, можно свободно взаимно комбинировать, если явным образом не оговорено иное. Более того, следует понимать, что использование в данном документе существительных в единственном числе все же не исключает возможность их множественного числа.

Промышленная применимость

По меньшей мере некоторые варианты осуществления настоящего изобретения находят промышленное применение для увеличения точности спектрометрических измерений.

Перечень акронимов

CIE (англ. International Commission on Illumination) - Международная комиссия по Освещению, МКО;

NFC (англ. Near Field Communication) - ближняя бесконтактная связь.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа осуществления калиброванного измерения образца с использованием интегрирующей камеры. Способ включает этапы, на которых получают спектральные данные образца путем использования интегрирующей камеры с помещенным внутрь интегрирующей камеры образцом. Кроме того, получают первую спектральную информацию, характеризующую камеру, сформированную путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом. Результат измерения получают исходя из спектральных данных образца путем использования математической обработки, при которой в качестве входной информации используют спектральную информацию, характеризующую камеру. Кроме того, после этапа получения первой спектральной информации получают вторую спектральную информацию, характеризующую камеру путем использования интегрирующей камеры с указанным эталонным объектом или другим эталонным объектом, идентичным указанному эталонному объекту, и сравнивают ее с первой спектральной информацией. Если сравнение показывает, что вторая спектральная информация отличается от первой спектральной информации, то при получении результата измерения используют вторую спектральную информацию. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ осуществления калиброванного измерения образца с использованием интегрирующей камеры, включающий этапы, на которых:

получают (110) спектральные данные образца путем использования интегрирующей камеры с помещенным внутрь интегрирующей камеры образцом;

получают (120) первую спектральную информацию, характеризующую камеру, сформированную путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом;

получают (130) результат измерения, исходя из спектральных данных образца путем использования математической обработки, при которой в качестве входной информации используют спектральную информацию, характеризующую камеру;

и после этапа (120) получения указанной первой спектральной информации, характеризующей камеру, получают вторую спектральную информацию, характеризующую камеру, путем использования интегрирующей камеры с указанным эталонным объектом или другим эталонным объектом, идентичным указанному эталонному объекту, и сравнивают (140) ее с указанной первой спектральной информацией, характеризующей камеру, и, если сравнение показывает, что вторая спектральная информация, характеризующая камеру, отличается от первой спектральной информации, характеризующей камеру, то при получении результата измерения используют вторую спектральную информацию, характеризующую камеру, а в противном случае при получении результата измерения используют первую спектральную информацию, характеризующую камеру, при этом указанный эталонный объект представляет собой объект с нанесенным на него оптически черным слоем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спектральную информацию, характеризующую камеру, получают путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом, помещенным внутрь интегрирующей камеры.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спектральную информацию, характеризующую камеру, получают путем использования интегрирующей камеры с эталонным объектом, заменяющим часть внутренней поверхности интегрирующей камеры.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что спектральную информацию, характеризующую камеру, используют для представления спектральной информации, полученной с образцом, по отношению к эталонному объекту, а не по отношению к взятой отдельно интегрирующей камере.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что образец представляет собой по меньшей мере одно из следующего: твердый образец, жидкий образец и газообразный образец.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что образец представляет собой образец сельскохозяйственного продукта.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что образец представляет собой по меньшей мере одно семя растения.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что эталонный объект содержит по меньшей мере одно отверстие, пронизывающее оптически черный слой.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что эталонный объект содержит множество отверстий, при этом оптически черный слой покрывает внутренние края отверстий.

10. Способ по п. 8 или 9, отличающийся тем, что эталонный объект заключают в оболочку из стекла.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что указанное стекло содержит плавленый кварц или боросиликатное стекло.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что для заключения эталонного объекта в оболочку производят сварку стекла.